conversion photovoltaïque Pr REGRAGUI
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conversion photovoltaïque Pr REGRAGUI Besoins énergetiques • le taux de croissance moyen annuel de la demande mondiale pour l’électricité, sur la période 2012-2040 sera de l’ordre de 2,1%; • L’augmentation de la demande énergétique mondiale de 37% d'ici à 2040 • La capacité totale installée passera de 5950 GW en 2013 à plus de 10700 GW en 2040; • Une capacité totale de près de 7200 gigawatts supplémentaires est nécessaire dont 2450 GW pour remplacer les centrales qui seront déclassées pendant cette période; Pr REGRAGUI Energies renouvelables • La contribution des énergies renouvelables dans le mix énergétique primaire sera portée de 13% en 2012 à 19% en 2040; • L’électricité produite annuellement à partir de sources renouvelables augmentera de près de 8420 TWh d’ici 2040 • Le total des puissances ajoutées sera de 2850 GW portant ainsi la capacité totale installée pour les renouvelables en 2040 à 4550 GW • La contribution de l’éolien en termes de capacité totale projetée (1320 GW d’ici 2040) sera la deuxième plus importante après celles à base de gaz naturel. • Le solaire photovoltaïque arrive en deuxième position derrière l’éolien, avec une capacité installée qui atteindra 930 GW d’ici 2040. • La contribution maximale du solaire avoisinera les 15% de la demande maximale en énergie électrique . Pr REGRAGUI Plan Solaire Marocain • Plus de 3000h/an d’ensoleillement • Rayonnement moyen de 5kwh/m2.jour • Objectif 2020 : • atteindre14% de la puissance électrique installée de source solaire (42% des sources renouvelables) • Installer 2GW • Investir 9MM$ Pr REGRAGUI Transformation de l’énergie solaire • La conversion thermodynamique (CSP concentrated solar power) : le facteur est la chaleur Pr REGRAGUI Transformation de l’énergie solaire • La conversion photovoltaïque: la rayonnement solaire (rendement amélioration) Pr REGRAGUI facteur est le en constante €/ Wp Trend from September 2016 Trend from January 2016 Germany 0.51 0.00 % -13.56 % Japan, Korea 0.59 -1.67 % -10.61 % China 0.5 -3.85 % -10.71 % Southeast-Asia, Taiwan 0.44 -4.35 % -8.33 % Module type, Origin Crystalline modules Source: http://www.pvxchange.com Prix des modules photovoltaïques La puissance crête (Wp, Wc) correspond à la puissance électrique maximale que délivre le module dans des conditions d'essai standards (STC, Standard Test Conditions): • 1 kW/m2 ensoleillement perpendiculaire aux panneaux ; • 25°C température dans les cellules; • masse d'air (AM) égale à 1.5. Pr REGRAGUI Fabricants des panneaux solaires • Le Top 10 a atteint un volume de livraisons de 23,7 GW, en hausse de 10% comparé à 2013, et une part du marché mondial en progression d’un point à 49%. • Les fournisseurs chinois continuent de dominer le marché mondial du PV • Trina Solar est le nouveau leader, avec des livraisons en augmentation de 30%. Pr REGRAGUI Distribution horizontale globale quotidienne de rayonnement au Maroc en kWh/(m2.jour) La ressource est abondante (5% des déserts suffiraient pour alimenter la planète), mais la source (le soleil) n’est pas toujours disponible (nuit, nuages), ce qui implique un stockage, maillon faible du système. Pr REGRAGUI Fonctionnement théorique des photopiles • La création de charges électriques libres sous l’action du rayonnement solaire ou effet photoélectrique, • La collection ou collecte de ces charges qui fournissent une différence de potentiel aux bornes du dispositif. L’ensemble de ces deux effets s’appelle l’effet photovoltaïque. Pr REGRAGUI I- Effet Photoélectrique spectre solaire Pr REGRAGUI I- Effet Photoélectrique hc 1,24 w h eV ( µm ) Pr REGRAGUI I- Effet Photoélectrique Flux des photons dans le spectre solaire Pr REGRAGUI Masse d’air AM0: W = 1.360W/m2 (hors atmosphère, constant solaire). AM1: Soleil au zénith (au niveau de la mer). Lorsque le soleil se déplace plus bas dans le ciel, la lumière traverse une plus grande épaisseur d'air, perdant plus d'énergie. AM1.5: W ~ 1.000 W/m2 (970 W/m2 ) Pr REGRAGUI Radiation direct et diffuse Pr REGRAGUI Radiation direct et diffuse • En temps clair, la composante diffuse de la radiation est d’environ 10 à 20% de la radiation totale reçue quotidiennement par une surface horizontale, • Ce pourcentage croit lors des journées nuageuses (elle peut être prépondérante), • Temps nuageux entraine, en plus de la baisse de la radiation reçue, une augmentation de la composante diffuse dont la composition spectrale est différente, • La composition spectrale change pour la composante diffuse de la lumière solaire (déplacement vers les faibles ), • Incertitudes sur la distribution de la composante diffuse suivant les directions entraîne une incertitude dans le calcul des niveaux de radiation sous inclinaison par rapport aux données des surfaces horizontales. Pr REGRAGUI Effet Photoélectrique L'effet photoélectrique ; l'onde électromagnétique incidente éjecte les électrons du matériau Schéma explicatif du phénomène en utilisant la notion de la bande interdite « gap ». Pr REGRAGUI Création de porteurs libres ou effet photoélectrique • Les effets produits par les différents photons du rayonnement dépendent de: – La valeur de leur quantum d’énergie, – La valeur de la bande interdite Eg de l’absorbeur donc de sa nature et de son dopage. Pr REGRAGUI II- Collecte des charges électriques • La création de paires électron-trou dans un matériau • semi-conducteur n’entraîne pas de variation de potentiel, • Donc les paires créées par les photons se recombinent rapidement, • D’où la photopile fait appel au dispositif qu’est la jonction PN. Pr REGRAGUI IV-1: Définition de la jonction pn • C’est la juxtaposition de deux régions de types différents (N et P), • La différence de densité des donneurs et d’accepteurs (Nd – Na) passe d’une valeur négative dans la région de type P à une valeur positive dans la région de type N (jonction abrupte). Pr REGRAGUI SEMI-CONDUCTEURS Semi-conducteur intrinsèque Un semi-conducteur est dit intrinsèque lorsqu'il est pur. Il n'a pas été dopé et son comportement électrique ne dépend que de la structure électronique du matériau. Les porteurs sont tous créés par génération thermique, c’est-à-dire en excitant des électrons dans la bande de conduction grâce à une hausse de la température. En conséquence, un nombre égal d'électrons et de trous est créé. Le niveau de Fermi se situe au milieu du gap. À l'équilibre et au zéro absolu, la bande de valence est occupée complètement par les électrons (pas de trous) tandis que la bande de conduction est vide. Ces semi-conducteurs ne conduisent pas, ou très peu, le courant, excepté si on les porte à haute température. Pr REGRAGUI SEMI-CONDUCTEURS Semi-conducteur type N • Les semi-conducteurs de type N sont appelés semi-conducteurs extrinsèques. Le but d'un dopage N est de produire un excès d'électrons. Afin de comprendre comment un tel dopage s'effectue, considérons le cas du silicium (Si). Les atomes de Si ont quatre électrons de valence, chacun étant lié à un atome Si voisin par une liaison covalente. Si un atome ayant cinq électrons de valence, comme ceux du groupe V de la table périodique (par exemple, le phosphore (P), l'arsenic (As) ou l'antimoine (Sb)), est incorporé dans le réseau cristallin, alors cet atome présentera quatre liaisons covalentes et un électron libre. Cet électron, qui n'est pas un électron de liaison, n'est que faiblement lié à l'atome et peut être facilement excité vers la bande de conduction. Aux températures ordinaires, quasiment tous ces électrons le sont. Les électrons sont des porteurs majoritaires et les trous des porteurs minoritaires. Et parce que les atomes à cinq électrons ont un électron supplémentaire à « donner », ils sont appelés atomes donneurs. Les matériaux ainsi formés sont appelés semiconducteurs de type N parce qu'ils contiennent un excès d'électrons négativement chargés. Pr REGRAGUI SEMI-CONDUCTEURS Semi-conducteur type P • Les semi-conducteurs de type P sont également des semiconducteurs extrinsèques. Le but d'un dopage P est de créer un excès de trous. Dans ce cas, un atome trivalent, généralement un atome de Bore, est substitué à un atome de silicium dans le réseau cristallin. En conséquence, il manque un électron pour l'une des quatre liaisons covalentes des atomes de silicium adjacents, et l'atome peut accepter un électron pour compléter cette quatrième liaison, formant ainsi un trou. Quand le dopage est suffisant, le nombre de trous dépasse de loin le nombre d'électrons. Les trous sont alors des porteurs majoritaires et les électrons des porteurs minoritaires ; ces atomes sont appelés atomes accepteurs. Pr REGRAGUI III: Effet photovoltaïque Pr REGRAGUI IV-2: Jonction abrupte à l’équilibre thermodynamique • Dans le modèle de la jonction abrupte, La différence (Nd – Na) passe brutalement dans le plan x=0 d’une valeur négative dans la région de type P à une valeur positive dans la région de type N, • Les trous majoritaires dans la région de type P diffusent vers la région de type n où ils se recombinent avec les électrons (il en est de même pour les électrons dans l’autre sens), Pr REGRAGUI IV-2: Jonction abrupte à l’équilibre thermodynamique • Apparition d’une charge d’espace résultant de la présence de donneurs et d’accepteurs ionisés. • Apparition au voisinage de la jonction d’un champ électrique qui s’oppose à la diffusion des porteurs majoritaires, • A l’équilibre thermodynamique, il y a équilibre entre la force électrique et celle de diffusion. Pr REGRAGUI IV-3: Charge d’espace • Nous supposerons que dans chaque région la conductivité est de nature extrinsèque, • La charge d’espace dans chaque région s’écrit: ( x) e[ N d N a p( x) n( x)] • La densité de charge s’écrit dans l’hypothèse des frontières abruptes: – ( x) 0 – ( x ) eN a – ( x ) eN d pour x<xp et x>xn pour xp<x<0 pour 0<x<xn Pr REGRAGUI IV-4: Tension de diffusion • Le potentiel varie d’une valeur Vp dans la région neutre de type P à une valeur Vn dans la région neutre de type N: Vd Vn V p • La densité des porteurs dans chacune des régions s’écrit: nn N c exp ( n p N c exp ( Ecn E Fn KT Ec p E Fp KT Pr REGRAGUI ) ) IV-4: Tension de diffusion • A l’équilibre thermodynamique on a : E Fn E F p E c p E cn KT ln( • Puisque: Nd Na ) 2 ni E c p eV p E cn eV n Vd V n V p N N KT ln( d 2 a ) e ni Pr REGRAGUI IV-5: La barrière de potentiel • Avant la formation de la jonction: E F E F p p Nv Ev KT ln( ) Na E F Ec E F KT ln( n n Nc ) Nd • Après formation de la jonction: Nd Na eV d EG E n E p KT ln( 2 ) ni avec: ni2 N c N v exp( EG ) KT Pr REGRAGUI IV-5: La barrière de potentiel • Il existe une variation de potentiel en traversant une jonction pn même si la polarisation extérieure est nulle, • A dopages Nd et Na identiques, Plus EG augmente plus Vd augmente, • Pour EG fixé, plus le produit NdNa augmente plus Vd augmente, • Lorsque la température de la jonction augmente, EG varie peu et la hauteur de la barrière de potentiel diminue. Pr REGRAGUI IV-6: Potentiel et champ électrique dans la zone de charges d’espace • Intégrant l’équation de Poisson: d 2V ( x ) ( x) dx 2 • Pour xp<x<0 on a : eN a V ( x) ( x x p ) 2 VP 2 • Pour 0<x<xn on a : V ( x) eN d ( x xn ) 2 Vn 2 Pr REGRAGUI IV-6: Potentiel et champ électrique dans la zone de charges d’espace • Le champ électrique est donné par dV ( x ) E dx • Pour xp<x<0 on a : E ( x) eN a (x xp ) • Pour 0<x<xn on a : E ( x) eN d ( x xn ) Pr REGRAGUI IV-7: Largeur de la zone de charges d’espace • en x=0 de la composante normale du vecteur déplacement donne: E0 E0 eN a x p eN d xn N a w p N d wn • La largeur de la zone de charge d’espace est donnée à partir de la continuité du potentiel en x=0: eN a 2 ( x p ) 2 VP eN d ( x n ) 2 Vn 2 N N 1 1 wn LDn [ Ln ( a 2 d )] 2 N ni 1 d Na et w p LD p [ N N 1 1 Ln ( a 2 d )] 2 N ni 1 a Nd Pr REGRAGUI IV-8: Capacité de la jonction • La zone de déplétion est formée de charges fixes positives et négatives, tel un condensateur. • En analogie avec un condensateur classique, la capacité dans la région de déplétion est égale à: C w w w A w n p avec • Si une région de la diode est fortement dopée, on a: C qN A 2(V d Va ) 1 2 • En traçant C2 en fonction de (1/Va), on peut déterminer N. Pr REGRAGUI V- Le rendement des photopiles (1) Perte sous forme de chaleur (2) Énergie du photon incident plus faible que le gap (3) Perte par recombinaison (4) Flux du courant (5) Perte due au contact Pr REGRAGUI V- Le rendement des photopiles • Une très faible partie de l’énergie primitivement reçue par le dispositif est collectée. • Le rendement total de la photopile peut s’écrire: R .H .K .M H K M : réflexion parasite de la lumière, : rapport énergie utilisée à l’énergie absorbée, : efficacité de collecte, : Limitation de rendement par les différentes résistances internes. Pr REGRAGUI V-1: La perte par réflexion (Pour le Si,30% de lumière incidente est réfléchie) nombre de photons absorbés nombre de photons incidents Pr REGRAGUI V-2: Rendement de transport H • Ce facteur exprime la perte de rendement de l’effet photoélectrique: Énergie utilisable pour libérer (créer) des charges électriques H= Énergie des photons absorbés par le matériau H dépend de: La valeur du gap de l’absorbeur De la composition de lumière. Pr REGRAGUI Absorption du spectre solaire Vco I kT ln( L 1) q I0 I o A( qD e n i2 Le N A qD h n i2 Lh N D ) n N C N V exp( 2 i Eg kT ) Si w>Eg il y a effet photoélectrique (c.-à-d. création d’une paire électron trou); L’excédent d’énergie du photon par rapport à Eg est également transformé en chaleur. • Generation d’un grand courant (Ics) • Faible voltage Vco (Eg diminue) • L’excès d’énergie incidente Pr est perdue sous forme de chaleur REGRAGUI Absorption du spectre solaire w<Eg aucune création de porteur libre (énergie du photon transformée en énergie thermique) • Generation d’un grand voltage Vco • Faible courant (Icc) • La bande de faible énergie incidente est perdue Pr REGRAGUI Absorption du spectre solaire Limite du rendement des cellules solaires en fonction du gap Pr REGRAGUI V-3: Efficacité de collecte • C’est le rapport du nombre de charges collectées réellement aux bornes de la cellule photovoltaïque par le nombre des charges « théoriquement utilisables »: K= Nombre de charges collectées Nombre de charges « théoriquement utilisables » • Ce coefficient comprend deux fonctions statistiques: – Une probabilité P d’interaction des photons avec l’absorbeur pour libérer une paire électron-trou ou Probabilité de choc, – Une probabilité G de collection de ces paires. Pr REGRAGUI V-3-1: Probabilité de choc • La probabilité de choc est définie comme suit: P= Nombre de charges créées réellement Nombre de charges utilisables suivant le facteur H La probabilité de choc dépend de l’épaisseur des zones p et n et de leur coefficient d’absorption. Ces facteurs ont une certaine importance pour la géométrie de la cellule photovoltaïque et pour le choix du matériau. Pr REGRAGUI V-3-2: Probabilité de collecte G • La probabilité de collecte G exprime donc la probabilité pour une charge libérée en un point donné d’atteindre sans recombinaison la jonction où elle sera accélérée par le champ électrique: G= Nombre de charges collectées Nombre de charges créées réellement La zone de transition de la jonction, seule région capable de séparer les paires électron-trous créées par effet photoélectrique, devra se trouver aussi proche que possible de la région de génération des porteurs minoritaires. Pr REGRAGUI V-3-3: Efficacité de collecte • Le facteur de collecte K correspondant à la perte de rendement introduite par ces deux coefficients s’écrit: K =P.G • L’analyse de leur intervention a mis en évidence l’influence contradictoire de l’épaisseur Pr REGRAGUI V-3-3: Efficacité de collecte a. Influence de l’épaisseur: Pour une valeur de donnée et un matériau donné, l’énergie utilisable, contenue dans l’ensemble des photons reçus dans le matériau est transformée en énergie électrique suivant: U aU 0 e x Plus l’épaisseur x est grande plus l’énergie disponible des photons sera utilisée pour la génération de paires électrontrous, mais inversement le processus de recombinaison est grand (la point de création est loin des électrodes de collecte) donc il y a un compromis à réaliser dans lequel peut intervenir le coefficient d’absorption Pr REGRAGUI V-3-3: Efficacité de collecte Pr REGRAGUI V-3-3: Efficacité de collecte • Pr REGRAGUI V-3-3: Efficacité de collecte a. Influence du coefficient d’absorption : Pour une valeur de élevée correspond une décroissance de l’énergie plus rapide donc une faible épaisseur de l’absorbeur suffira pour retirer le même pourcentage d’énergie utile. la valeur de dépend d’une part de la longueur d’onde et d’autre part du matériau absorbeur Pr REGRAGUI V-3-3: Efficacité de collecte Génération-recombinaison: Variation du nombre de porteur par unité de volume et par unité de temps: dn gr dt • Recombinaison direct électron-trou: rn r p r k ( np ni2 ) n p 1 k (n0 p • Régie de faible injection • Sc (type n): p r • Sc (type p): p r n p ) avec avec p 1 kn 0 p n 0 n Pr REGRAGUI n 1 kp 0 V-3-3: Efficacité de collecte Génération-recombinaison: • Recombinaison assistée par centres de recombinaison: r pn ni2 1 m m 2 ni p n 1 CN R • Semiconducteur dopé r p m • Zone dépeuplée : r ni 2 m Pr REGRAGUI V-4: LE FACTEUR M Le facteur M du rendement concerne le fonctionnement complet de la photopile comme générateur de courant. Ce facteur englobe l’effet des résistances internes qui limitent la puissance utilisable. • Modélisation électrique: Pr REGRAGUI V-4: LE FACTEUR M Pr REGRAGUI V-4: LE FACTEUR M a. Modélisation électrique: La résistance série (Rs) est formée par la résistance électrique du semiconducteur dans la zone extérieure à la ZCE et par la résistance de contact entre le Sc et le métal qui assure le contact électrique avec le circuit extérieur. Elle est estimée par l’inverse de la pente (I/V) aux voltages proches de Vco (pour de hauts voltages la diode devient plus conductrice donc Rs domine la pente). La résistance shunt (Rsh) est due à des impuretés ou défauts qui court-circuitent le courant entre les deux électrodes. Elle peut être obtenue en prenant l’inverse de la pente prés de 0V (pour de petits voltages la diode ne conduit pas donc le courant donné par V est déterminé par Rsh et Rs avec Rsh plus grand) Pr REGRAGUI V-4: LE FACTEUR M Effet de la résistance série et shunt: Pr REGRAGUI V-4: LE FACTEUR M M= Préelle max Pthéoriquement disponible Préelle max = VMIM Ptheo dip = Icc Eg q M= qVMIM IccEg Pr REGRAGUI VI: CALCUL DE RENDEMENT EXPERIMENTAL DE LA CELLULE PHOVOLTAÏQUE • A partir de la caractéristique I = f(V) d’une cellule solaire réelle sous éclairement, on extrait: – Le courant de court circuit Icc – La tension de circuit ouvert Vco – Les valeurs VM et IM qui correspondent à la puissance maximale délivrée par la cellule solaire. – Le facteur de forme FF: FF = VMIM IccVco – Le rendement de la conversion: Pmax FF .I cc .Vco VM I M Pincidente Pincidente Pincidente Pr REGRAGUI VI: CALCUL DE RENDEMENT EXPERIMENTAL DE LA CELLULE PHOVOLTAÏQUE Pr REGRAGUI Influence de l’ensoleillement sur la puissance fournie par la cellule solaire Le courant est directement proportionnel au rayonnement, contrairement à la tension qui ne varie que très peu en fonction de l’éclairement. Pr REGRAGUI Influence de la température sur la puissance fournie par la cellule solaire Le courant de court circuit n’est pas très affecté par la température du module. Plus la température augmente moins la cellule est performante (Vco et FF diminuent). dVco dT V go Vco ( kT q ) T Cette dépendance diminue pour les matériaux à large gap (GaAs est de moitié sensible aux effets de la température que le Si) Pr REGRAGUI Conditions standard du module photovoltaique Pr REGRAGUI Les absorbeurs I II Zn Cd III B Al Ga In IV C Si Ge Sn V N P As Sb VI O S Se Te Cu Ag IB IIB IIIB IVB VB VIB Pr REGRAGUI Rendement de cellules solaires M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl. 17 (2009) 85 Pr REGRAGUI Rendement quantique externe VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- 1ère génération: AsGa rendement de modules commercialisés 37% à 25°C. Coût du watt élevé Utilisation dans les panneaux solaires de satellites ou les systèmes à concentration Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- 1ère génération: c-Si Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- 1ère génération: c-Si • Le silicium est très utilisé dans l’industrie de la microélectronique (Pureté à 99,9999%; la qualité solaire nécessite pureté à 99,99%) • Prix du KW crête a beaucoup baissé vu le développement de l’industrie électronique, • Grande épaisseur (absorption de 90% de l’onde incidente nécessite 100µm), • Si monocristallin: grand rendement, un processus de fabrication lent, des coûts élevés, fonctionnement médiocre sous faible éclairement. • Si Polycristallin: faible coût, un processus de fabrication rapide, une rendement moindre. • Obtention de Si à partir de SiO2 (forme cristalline utilisé) : Réduction carbothermique du SiO2: SiO2 (sol) + 2C (sol) Si (liq) + 2CO (gaz) (pureté 98 à 99%) Réduction aluminothermique du sable: 3SiO2 (liq) + 4Al (liq) 3Si (sol) + 2Al2O3 (liq) Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- 1ère génération: c-Si • Technique de croissance utilisée pour le Si Mono: 1 - Czochralski (Cz), Vitesse de tirage : 10cm/h Diamètre du lingot 30cm, L=1m Les impuretés se concentrent dans le Si fondu Nécessité de maintenir le Si fondu (1140°C) ce qui entraine des coûts de production élevés Possibilité de dopage (type p:B) 2- méthode de la zone flottante (FZ). Un lingot poly et un germe mono sont nécessaires l’interface entre les deux est assurée par des bobines de chauffage coulissantes Absence du creuset donc pas de contamination extérieure Lingots FZ ont une moindre teneur en oxygène le matériau obtenu à partir de FZ est plus cher que CZ Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- 1ère génération: c-Si Lingots Poly: avantages Procédés de fabrication moins coûteux en énergie Plaquettes mieux adaptés au remplissage géométrique des modules Grande tolérance aux impuretés Les grains doivent être gros et perpendiculairement au plan de découpe s’étendre verticalement, Procédé Semix: La fusion et la solidification se font dans des creusets différents Le creuset de haut est rempli de morceaux de Si:P puis est chauffé à 1250°C Si fondu s’écoule dans la lingotière en céramique revêtue d’une couche de Ni de Si Des teneurs en impuretés sup à Si EG sont obtenus La qualité du Si est limitée par la densité des dislocations Ces défauts entrainent la diminution de la longueur de diffusion (100 à 160 µm pour le Si EG à 80 µm pour le Si SG) Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- 1ère génération: c-Si fabrication de dispositifs 1. préparation du lingot type p puis découpage en plaques de 420 µm d’épaisseur, (perte dû au découpage) Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- 1ère génération: c-Si fabrication de dispositifs 2. Dopage: la formation de la jonction p-n dans un four de diffusion Le procédé consiste à chauffer les plaquettes de silicium en présence d’un dopant (type n: P) C 2C Equation de diffusion de Fick: avec D D0 exp( t E KT D x 2 ) a- La source de diffusion est une couche mince: répartition gaussienne x2 C ( x, t ) exp( ) 4 Dt Dt Q b- Concentration superficielle constante: diffusion des 2 côtés C C s erf ( x ) 2 Dt Pr REGRAGUI où erf ( z ) 2 z exp( u 0 2 ) du VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- 1ère génération: c-Si fabrication de dispositifs 3. Métallisation: pole positif sur la totalité de la face p et pole négatif sur la face n (doit tenir compte d’un compromis entre insolation et collecte des porteurs), 4- Dépôt de la couche antireflet qui accroît la pénétration des photons Pr REGRAGUI De la cellule au module Connexion des cellules en série pour former des modules Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- 1ère génération: c-Si • Le rendement des modules est égal à 15% et le cout de watt crête varie entre 0,6 et 0,8 euro. • L’interconnexion de 36 cellules en série est nécessaire pour obtenir 12V • L’encapsulation des cellules pour protéger des chocs, protéger les interconnexions des agressions extérieures et pour isoler l’environnement de la tension générée par les cellules Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- 1ère génération: c-Si Polycristallin • meilleur rapport qualité / prix • rendement faible sous un faible éclairement Monocristallin • prix élevé • rendement faible sous un faible éclairement Pr REGRAGUI Exemple de fiche signalétique d’un panneau PV Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES b- couches minces Dans le domaine des couches minces, il existe trois principales filières: - la filière du silicium microcristallin et/ou amorphe - la filière Tellurure de Cadmium / Sulfure de Cadmium - la filière des composés à structure chalcopyrite basée sur le CuInSe2 (ou sa variante Cu(In,Ga)(S,Se2) dénommée CIGS) - La filière des composés Cu2ZnSn(S,Se4) Avantages: - capacité de produire de grandes plaques - Consommation très réduite de matière - Faible consommation énergétique durant le cycle de production Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- couches minces la filière silicium en couches minces a-Si:H Meilleur aux éclairements faibles et diffus faible mobilité des porteurs, rendement faible et durée de vie courte Son rendement baisse moins que le cristallin quand la température augmente A cause du désordre, les liaisons covalentes sont coupées d’où présence de liaisons pendantes (états localisés dans la BI) Pour remédier à ces défauts, on ajoute de l’hydrogène ce qui entraine une forte diminution des densités d’états dans la BI L’existence des queues d’Urbach dans a-Si:H entraine un effet néfaste sur la collecte a-Si:H est légèrement de type n L’énergie de la BI (1,8 eV) diminue avec la concentration de H liés (1,6eV), il dépend aussi du dopage pour le type p (varie inversement au dopage) La zone p est utilisée comme fenêtre Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES • Fonctionne avec un éclairement faible (calculatrices) Pr REGRAGUI • Si déposé sur une feuille de verre VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES Photopile au silicium amorphe Principe de la mise en série Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- couches minces Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES a- couches minces a-Si:H/µcSi / rendement 2012 ≈ 10.8% , coût ≈ 0.35 $/W Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES b- couches minces La filière CdTe Structure d’une cellule de base au CdS-CdTe - Bande interdite directe de l’ordre de 1,45 eV et une grande absorption dans tout le spectre solaire, - d’où quasi-totalité du spectre est absorbée sur une profondeur de 2µm utilisation de matériaux relativement impurs - Utilisation d’une couche de CdS de type n (Eg = 2,4eV) comme fenêtre d’entrée de la lumière et comme barrière de potentiel CdTe Record Cell 18.7% Record Module 15.5% moy. Module 12.5% Capacité Prod. en 2011 (MWp/an) 2200 Capacité Prod. en 2012 (MWp/an) 2700 Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES b- couches minces La filière CdTe Malgré des rendements excédant les 15%, des problèmes non négligeables se posent, à savoir : - Rareté de Te et toxicité du Cd - Difficulté du contrôle du dopage de type p du CdTe - Difficulté de réaliser des contacts électriques ohmiques stables sur le CdTe - Les meilleurs rendements ont été obtenus sur des cellules utilisant comme substrat le silicate de bore, substrat fort coûteux - La diffusion du sodium du verre ne semble pas profiter au CdTe et, au contraire, Na paraît avoir un effet négatif sur la durée de vie des porteurs minoritaires dans les cellules de CdTe - La sensibilité de cette cellule à la vapeur d’eau - L’agressivité pour l’environnement, du fait de la présence du Cadmium qui est toxique et polluant - Le cout de watt crête vaut Pr 0,67 euro. REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES b- couches minces La filière chalcopyrite Cu-III-VI2 - Les cellules de type Cu(In,Ga)(Se,S)2 ont atteint des rendements de 19% - Le coefficient d’absorption a le même seuil que celui du c-Si mais il est plus fort dans la gamme 1,1 à 2,6eV - Du fait de leurs grands coefficients d’absorption optique, une épaisseur de 1,5 à 2µm est suffisante pour absorber la partie utile du spectre solaire (contre 100 µm pour le silicium cristallin), 1,7 Le matériau le plus prometteur semble être le CIS. Cependant, sa faible bande interdite (1,02 eV) limite la tension de circuit ouvert et donc le rendement de la photopile. introduction du Ga 1,6 1,5 Y =1,05723+0,30753 X+0,28108 X 2 Eg (eV) 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,0 0,2 0,4 0,6 x=Ga/Ga+In 0,8 1,0 Pr REGRAGUI Coupe de la cellule au CIGS VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES b- couches minces CIGSS rend Minimodule 17,8% Cell (0.5cm2) 19,7% Record Module 14.5% Moy Module 12.6% Prod. Capacity 2011 (MWc/an) 500 Prod. Capacity 2012 (MWc/an) 1000 A cause des problèmes d’environnement (Cd), on est en quête de matériaux inoffensifs tels que: ZnO, ZnS, SnO2, Sn(S,O)2,In2S3, In(OH)3, ZnSe, ZrO2; performances faibles avec ces couches tampon Le cout de watt crête varie entre 0,42 et 0,55 euro. Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES b- couches minces La filière Cu2(ZnSn)(S,Se)4 - Coefficient d’absorption important (104cm-1) et un gap égal à 1,5eV, - Propriétés optiques et électriques similaires à celles du CIGS, cellule à base de CZTS Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES b- couches minces La filière Cu2(ZnSn)(S,Se)4 - Plusieurs méthodes ont été utilisées pour son élaboration comme: Technologies sous vide: • pulvérisation de la poudre quaternaire, d’un composite pressé à froid contenant Cu2S, ZnS et SnS2 suivi d’un recuit, puvérisation Dc magnétron utilisant des métaux (Cu:Zn:Sn) suivi d’une sulfurisation,…; • Évaporation d’un empilement contenant Cu/Sn/Zn suivi d’un recuit dans H2S ou coévaporation de Cu, Zn, Sn,S • Déposition par laser pulsé: Pastille est formée d’une poudre de Cu2S, ZnS et SnS2 Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES b- couches minces La filière Cu2ZnSn(S,Se)4 - Plusieurs méthodes ont été utilisées pour son élaboration comme: Technologies n’utilisant pas de vide: • Electrodéposition: Cu et Sn déposé par une solution alcaline, Zn par un solution acide le tout recuit dans une atmosphère sulfurée à 500°C, • Sol-gel ou spin coating utilisant Cu(II) acetate monohydraté, Zn(II) acétate di-hydraté, Sn(II) chloride di-hydraté dans des solvant suivi d’un recuit dans une atmosphère sulfurée à 500°C, • Sérigraphie de billes frittées puis pressées de Cu2ZnSnS4, • Spray pyrolysis à partir d CuCl, Z,Cl2, SnCl4 et thiourée dans un mélange d’eau désionisée et d’éthanol. Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES b- couches minces La filière Cu2ZnSn(S,Se)4 dépôt Sous vide Sans vide méthode Rendement (%) évaporation 8,4 pulvérisation 6,7 Laser pulsé 4,1 Spin coating 11,1 électrodéposition 7,3 CVD 6,03 Rendements maximum des cellules PV à base de CZTS reportés dans la littérature Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES b- cellule de Graetzel • Ces cellules solaires, composées de matériaux organiques sur inorganiques peuvent atteindre des rendements supérieurs à 10% • La couche monomoléculaire de colorant absorbe moins de 1% de la lumière incidente augmentation de la rugosité de surface Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES c- cellule de Graetzel - Difficulté de trouver un semi-conducteur dont les propriétés physiques soient à la fois compatibles avec l’exposition à la lumière et le contact d’un électrolyte liquide - Le colorant doit être compatible avec le Semi-conducteur et l’électrolyte (ruthenium bipyridyls) - Des possibilités de substrats permettent une flexibilité - Peuvent alimenter des montres à faible consommation à partir du verre de montre - Peuvent être utilisées dans les objets de consommation et non dans des applications de puissance Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES d- cellules organiques Principe de fonctionnement Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES d- cellules organiques LUMO Cathode Donneur d’électron (type P) Accepteur d’électron (type N) HOMO Anode HOMO épaisseur Photopile organique à jonction « PN » (a) et sa structure de bande en circuit ouvert (b). Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES d- cellules organiques Principe de fonctionnement d’une photopile organique à jonction PN. Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES d- exemple de cellule organique Al Anode LiF 1,4 DAAQ Jonction « PN » ZnPc PEDOT:PSS Cathode ZnO ou ITO verre Structure « classique » de photopile. Pr REGRAGUI Substrat de verre VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES d- cellules organiques Rsh2 prend en compte les pertes de recombinaison près des électrodes Pr REGRAGUI VI: FILIÈRES PHOTOVOLTAIQUES d- cellules organiques Problèmes: 1- Pertes de photons: souvent les organiques ont un Eg ≈ 2 eV 2- Pertes d’excitons: lors de leur diffusion 3- Pertes de porteurs: lors de leur diffusion et collection 4- une très grande Rs 5- une petite valeur de Rsh Solution: Milieux interpénétrés, Copolymers…etc au niveau de D/A le transfert d’électrons est plus Pr REGRAGUI rapide que la désexcitation de l’exciton Photovoltaïque à concentration CPV Pr REGRAGUI Photovoltaïque à concentration CPV Module CPV Concentrateur à lentille Cellule PV multi-jonctions III-V Pr REGRAGUI Formation Etude pour la MEMEE pour les compétences pour le plan stratégique de l’énergie: 2015 2020 2025 SBT 911 1606 2830 Eolien 3378 3844 7437 PV et CSP 2904 6113 7356 Pour la génération de l’électricité par voie solaire, il faut former annuellement: • 750 techniciens • 160 Bac + 5 Etat des lieux: Formation: • 799 compétences en EnR&EE dont 173 en énergie solaire PV • 31 formations (D Ing 3, Mas Rec 5, MS 6, LP 9, LST 2, DUT6) Recherche: 239 personnes actives en EnR&EE dont 55 en énergie solaire PV 29 Structures Pr REGRAGUI
